知行合一ArduPilot | ArduPilot系统框架简述

Posted 2022-03-18 阿木实验室

一、应用编程IAP

1.1 IAP

IAP是In Application Programming的首字符缩写。IAP是用户自己的程序在运行过程中对User Flash部分进行烧写，目的是为了在产品发布以后通过预留的接口对产品固件进行升级。

要想实现IAP，FLASH中需要存在2个程序:Bootloader和APP。设备启动时，首先运行Bootloader，判断是否需要升级。如果需要升级，则通过预留的接口，获取新固件，并烧写进flash；如果不需要升级，则直接跳到APP中运行，完成启动。

1.2 IAP在STM32中的应用

一片STM32芯片的Code(代码)区内一般只有一个用户程序。而IAP方案则是将代码区划分为两部分，两部分区域各存放一个程序，一个叫bootloader(引导加载程序)，另一个较user application(用户应用程序)。bootloader在出厂时就固定下来了，在需要变更user application时只需要通过触发bootloader对user application的擦除和重新写入即可完成用户应用程序的更换。

STM32上电时，硬件会自动将0x0800 0000处的代码映射到0x0000 0000处，然后从0x0000 0000处开始运行，所以可以认为，STM32从0x0800 0000处开始运行。所以，需要把Bootloader内容烧写在0x0800 0000处。然后将APP内容烧写在FLASH剩余的区域。

在只有一个程序的情况下，程序的执行流程图如下图所示：

STM32有一个中断向量表，这个中断向量表存放在代码开始部分的后4个字节处(即0x08000004)，代码开始的4个字节存放的是堆栈栈顶的地址，当发生中断后程序通过查找该表得到相应的中断服务程序入口地址，然后再跳到相应的中断服务程序中执行。上电后从0x08000004处取出复位中断向量的地址，然后跳转到复位中断程序的入口(标号①所示)，执行结束后跳转到main函数中(标号②所示)。在执行main函数的过程中发生中断，则STM32强制将PC指针指回中断向量表处(标号③所示)，从中断向量表中找到相应的中断函数入口地址，跳转到相应的中断服务函数(标号④所示)，执行完中断函数后再返回到main函数中来(标号⑤所示)。

若在STM32中使用IAP方案，则内置的Flash分配情况大致如下图所示:

1.3 Ardupilot飞控IAP方案

1.3.1 Ardupilot飞控IAP方案，内置FLASH分配情况如下图所示：

1.3.2 PX4 Bootloader

源码：https://github.com/PX4/PX4-Bootloader.git

判断ardupilot飞控固件是否需要升级。如果需要升级，则通过预留的接口，获取新固件，并烧写进flash；如果不需要升级，则直接跳到ardupiot APP中运行，完成启动。

二、Ardupilot系统概述

2.1 Ardupilot基本框架

2.2 Ardupilot硬件抽象层

系统平台和硬件由class HAL提供接口抽象，四大系统软硬件平台分别进行了实现：HAL_Chibios，HAL_Linux，HAL_Empty， HAL_SITL，这样，将具体应用和底层系统硬件进行了解耦，具体应用只需操作HAL接口类提供的硬件抽象接口，而当应用部署到具体的系统硬件平台时，具体系统硬件平台将实现该抽象接口，从而多态到具体的硬件，如此，我们可以将应用部署到真实系统硬件平台，或者部署到模拟的系统硬件平台来实现应用仿真。

class HAL提供run的接口，用来启动应用，同时给系统平台提供封装了setup方法和loop方法的FunCallbacks接口类，系统平台实现run方法，并且在run方法中回调setup和loop。

应用的入口由AP_HAL_Main中的AP_HAL_MAIN系列的宏函数提供，其使用应用实现的setup和loop方法，多态到具体系统软硬件平台实现run方法，也就是上面第二点。

应用比如大的：AntennaTracker，APMRover2，ArduCopter， ArduPlane等类都提供setup和loop两个框架方法的实现，并调用AP_HAL_MAIN入口来启动，并且，小到一个传感器的测试用例比如AP_Compass_test也是如此；也就是应用层均使用面向接口编程，而这里的接口主要有以setup和loop为代表的启动运行接口，以及系统硬件平台的HAL接口。

2.3 回调函数

2.3.1、回调函数的定义

回调函数是指使用者自己定义一个函数，实现这个函数的程序内容，然后把这个函数（入口地址）作为参数传入别人（或系统）的函数中，由别人（或系统）的函数在运行时来调用的函数。函数是你实现的，但由别人（或系统）的函数在运行时通过参数传递的方式调用，这就是所谓的回调函数。简单来说，当发生某种事件时，系统或其他函数将会自动调用你定义的一段函数。

2.3.2、回调函数的机制

（1）定义一个回调函数；

（2）提供函数实现的一方在初始化的时候，将回调函数的函数指针注册给调用者；

（3）当特定的事件或条件发生的时候，调用者使用函数指针调用回调函数对事件进行处理。

2.3.3、回调函数的作用

可以把调用者与被调用者分开。调用者不关心谁是被调用者，所有它需知道的，只是存在一个具有某种特定原型、某些限制条件（如返回值为int）的被调用函数。（解耦）

2.3.4、回调函数的优点

（1）可以让实现方，根据回调方的多种形态进行不同的处理和操作。

（2）可以让实现方，根据自己的需要定制回调方的不同形态。

（3）可以将耗时的操作隐藏在回调方，不影响实现方其它信息的展示。

（4）让代码的逻辑更加集中，更加易读。

2.4 Ardupilot线程（Threading）

2.5 旋翼机代码框架

2.6 旋翼飞行模式

飞行模式大概可以分为四类：姿态控制模式（如：Stabilize）、姿态+高度控制模式（如：AltHOLD）、位置控制模式（如：Loiter）和全自动控制模式（如：AUTO、RTL、GUIDED等）。

结语

本文主要对ArduPilot系统框架做了简述，分别简要介绍了应用编程、ArduPilot基本框架和多旋翼的基本框架。由于篇幅有限，不能对各个模块进行更详细的介绍，后期有机会对其中的重要模块做一些详细的分析，比如：状态控制器和控制器等。

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